روش های محاسبه تحمل بار تیرآهن

محاسبه دقیق تحمل بار تیرآهن، از مهم ترین مراحل در طراحی و اجرای سازه ها به شمار می آید که به طور مستقیم بر عملکرد و ایمنی سازه اثر می گذارد. تیرآهن بارهای مختلفی از سازه را دریافت می کند و به دیگر اعضا انتقال می دهد. محاسبات تحمل بار، علاوه‌بر اینکه به نوع تیرآهن، وزن و ابعاد آن وابسته است؛ تحت تاثیر شرایط محیطی و بارهای وارده مانند بارهای ثابت و متغیر قرار می‌گیرد. انجام این محاسبات باید به دقت انجام شود تا سازه در برابر بارهای مختلف مقاوم شود. در صورتی که محاسبات به درستی انجام نشود می تواند خسارت های جبران ناپذیری در پروژه منجر شود که می‌توان به تغییرات غیرمنتظره در شکل پذیری تیرآهن و شکست سازه اشاره کرد. در این مقاله به بررسی فاکتورهای موثر بر تحمل بار تیرآهن و روش های مختلف محاسبه تحمل بار تیرآهن خواهیم پرداخت.

میزان تحمل بار تیرآهن

به‌طورکلی، ظرفیت باربری به حداکثر باری گفته می‌شود که می‌توان بر روی آهن اعمال کرد تا قبل از اینکه تغییر شکل داده و یا خرابی ایجاد شود.

این مقاطع فلزی، که از دو بال در طرفین و یک سطح مقطع به‌نام جان در مرکز تشکیل شده‌اند، به‌عنوان تکیه‌گاه اصلی و اولیه سازه‌ها شناخته می‌شوند. پس واضح و مبرهن است که بار اصلی و فشار ناشی از انواع نیروهای تنشی و فشاری اعم از بارهای جانبی، عمودی و محوری را تحمل کرده و وظیفه مهم انتقال این نیروها به فونداسیون سازه، دیوارها، ستون‌ها و زمین را برعهده دارند.

تیرآهن‌ها در انواع متفاوتی تولید شده که گاهی به‌صورت تک و برخی اوقات به‌صورت چندتایی در سازه‌ها استفاده می‌شوند. مهمترین انواع معمول این محصولات که در بازار موجود بوده عبارتند از:

• IPE: طبق استاندارد ایران و اروپا تولید شده که ضخامت بال از ابتدا تا انتهای آن، یکسان است. از نوع نیمه‌پهن بوده و با ارتفاع جان ۸۰ تا ۶۰۰ میلی‌متری تولید می‌شوند. به آن‌ها تیرآهن I نیز گفته می‌شود.
• INP: بر طبق استاندارد روسیه و چین تولید شده که ضخامت بال‌ها با فاصله گرفتن از جان، کمتر می‌شود. به‌نام تیرآهن معمولی مشهور بوده و با اندازه جان ۸۰ تا ۶۰۰ میلی‌متری تولید می‌شوند.
• IPB: تیرآهن‌های هاش (H) از انواع بال پهن بوده که به‌طور معمول در آن‌ها، اندازه بال و جان برابر است. با ارتفاع جان ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی‌متری موجود بوده که مستحکم‌ترین نوع این محصولات هستند.
•  CPE: از برش و جوش مجدد تیرآهن‌های دیگر ساخته شده و به‌نام لانه زنبوری شهرت دارند و با اندازه جان ۱۲۰ تا ۹۰۰ میلی‌متری در بازار عرضه می‌شوند.

برطبق توضیحات ارائه شده با توجه به وزن بیشتر، ضخامت بالاتر و بال‌های بزرگتر، میزان تحمل بار تیرآهن نوع هاش نسبت‌به بقیه انواع تیرآهن‌ها بیشتر است. از IPBها جهت ساخت پل‌ها، ساختمان‌های چند طبقه، سازه‌های سنگین و مکان‌هایی که تحت تأثیر باربری زیادی هستند، استفاده می‌شود.

حداکثر تحمل وزن تیرآهن ۱۶

تیرآهن 16 به دلیل مقاومت بالایی که دارد، معمولاً در ستون‌های اصلی و تیرهای باربر سازه‌های بزرگ استفاده می‌شود. این سایز از تیرآهن، به‌ویژه در پروژه‌های عمرانی، کاربرد زیادی پیدا کرده و همین امر می‌تواند بر تغییرات قیمت آن تأثیرگذار باشد. مقاومت تیرآهن 16 به‌طور قابل توجهی وابسته به وزن آن است؛ به‌طوری که وزن تیرآهن‌های هاش سبک و سنگین به ترتیب 365 و 511 کیلوگرم است. همچنین، میزان بارهای زنده و مرده وارد بر سازه می‌تواند تأثیر مستقیمی بر توان تحمل بار این تیرآهن‌ها داشته باشد.

فاکتورهای موثر بر تحمل بار تیرآهن

جهت محاسبه دقیق تحمل بار تیرآهن‌ها، ابتدا باید شناخت کاملی را از علت‌های موثر بر این شاخص داشته‌ باشیم. دلایل زیادی می‌تواند در تحمل‌پذیری تیرآهن‌ها نقش داشته باشند. مهمترین آن‌ها عبارتند از:

• محاسبه دقیق میزان بار

برای اینکه بتوانیم از مصالح درستی در هنگام ساخت یک پروژه استفاده کنیم، شناخت صحیح از شرایط پیرامونی سازه، امری واجب و ضروریست. تیرآهن‌ها مقاطعی فولادی بوده که بار اصلی وزن سازه، بر روی دوش آنهاست‌. لذا محاسبه دقیق مقدار وزن و فشاری که بر سطح مقطع تیرآهن وارد می‌شود، بسیار مهم و حیاتی است و قیمت تیرآهن را می‌توان براساس میزان تحمل وزن آن محاسبه کرد.

تولیدکنندگان این مصنوعات فلزی، کلیه مشخصات فیزیکی و شیمیایی محصولات خود از قبیل مقاومت در برابر تنش و کشش را در آزمایشگاه‌ها محاسبه کرده و در هنگام فروش در اختیار مشتری قرار می‌دهند. مهندسین می‌توانند با بررسی و محاسبه اصولی شرایط پروژه، نسبت به‌خرید مناسب‌ترین مصالح، اقدام نمایند.

• میزان رعایت اصول استاندارد و شرایط تولید

یکی از عوامل بسیار تأثیرگذار در کیفیت مصالح، رعایت استانداردهای کیفی در پروسه تولید آن‌هاست. تیرآهن‌هایی که طبق استانداردهای بین‌المللی تولید می‌شوند، دارای ابعاد، اندازه و سایز مشخصی بوده و از کیفیت بالایی برخوردار هستند که این امر به افزایش عمر و تحمل‌پذیری سازه، کمک بزرگی می‌کنند.

• کیفیت مواد اولیه به‌کار رفته

اکثر مصنوعات فلزی از شمش فولادی، بیلت و یا بلوم تولید می‌شوند. کیفیت مواد اولیه، اثر بسیار زیادی بر قدرت و تحمل‌پذیری آهن می‌گذارد. این مسئله که در تولید تیرآهن از بلوم، ورق سیاه و یا شمش فولادی استفاده شده، بسیار حائز اهمیت است. بلوم از ذوب مجدد قراضه‌ها و ضایعات آهنی به‌دست می‌آید که کیفیت این مواد بازیافتی بر مرغوبیت محصول تولیدی، اثرگذار است. همچنین ضدزنگ بودن آهن می‌تواند در افزایش عمر این محصول موثر باشد.

• استفاده صحیح از سایز، تعداد و نحوه قرارگیری تیرآهن

هرچه که سایز تیرآهن‌ها افزایش پیدا می‌کند، میزان تحمل بار آن‌ها بالاتر می‌رود. اندازه طول، ابعاد و ضخامت بال‌ها و جان، در تحمل بار می‌توانند تأثیر زیادی داشته باشند. همچنین رعایت تعداد، چینش مناسب و قرارگیری مناسب آهن بر روی تکیه‌گاه، می‌تواند از بروز آسیب و ضررهای احتمالی به سازه جلوگیری کرده و باعث افزایش قدرت تحمل بار تیرآهن شود. تیرآهن 16 و تیرآهن 18 از پرمصرف‌ترین سایزهای تیرآهن به‌شمار می‌روند.

نحوه محاسبه بار تیرآهن

اگر کارخانه‌ای محصولات خود را طبق استانداردهای بین‌المللی  تولید کرده باشد، میزان تحمل بار هر نوعی از تیرآهن را می‌توان به راحتی توسط جدولی مشخص به‌دست آورد. یکی از بهترین روش‌ها جهت محاسبه وزن، سطح مقطع و... استفاده از جدول اشتال است. این جدول دارای اطلاعات جامعی از مشخصات انواع مقاطع فولادی است. در این جدول می‌توان با دانستن نوع محصول خریداری شده به اطلاعاتی از قبیل قطر، محیط، شعاع ژیراسیون، ارتفاع، وزن واحد طول، گشتاور و سطح مقطع محصول، دسترسی پیدا کرد. همچنین با استفاده از تعدادی فرمول محاسبه بار تیرآهن، می‌توان به اطلاعات مورد نیاز، دست پیدا کرد. به‌طور مثال برای به‌دست آوردن سطح مقطع تیرآهن I می‌توان از فرمول A=2Bh+Hb استفاده نمود.

بر اساس نظر کارشناسان آهن‌آنلاین:

«شاخص‌های وزن و سایز می‌توانند در میزان تحمل بار تیرآهن‌ها موثر باشند. وزن در تیرآهن‌ سایزهای پرکاربرد ۱۲، ۱۴، ۱۶ و ۱۸ متغیر بوده، به‌طوریکه با بالارفتن سایز و وزن، به میزان استقامت و استحکام محصول نیز افزوده می‌شود. مثلاً از تیرآهن ۱۲ با وزن تقریبی ۱۲۵ کیلوگرم در نقاط ظریف‌تر سازه و در جاهایی که تحت فشار زیادی نیستند، استفاده شده ولی تیرآهن ۱۸ با وزنی معادل ۲۲۵ کیلوگرم، در سازه‌های بزرگ و چند طبقه به‌کار برده می‌شود که وظیفه تحمل بار اصلی سازه را به‌عهده دارد.»

در این مقاله به بررسی اجمالی تحمل بار تیرآهن پرداختیم و با دلایل وعلل تأثیرگذار بر این مسئله، آشنا شدیم. شاید مهمترین و پرکاربردترین مقطع فولادی مورد استفاده انسان‌ها، تیرآهن باشد که با توجه به ابعاد و وزن خود، وظیفه اصلی باربری را در اسکلت فلزی سازه، بر‌عهده دارد. به ‌همین دلیل آگاهی از نحوه محاسبه تحمل بار تیرآهن برای مهندسین فعال در این زمینه، از اهمیت بسیار بالا و حیاتی برخوردار بوده تا با انجام محاسباتی دقیق و انتخابی درست، باعث استحکام و افزایش طول عمر سازه گردند.